AT408022B - WIND TURBINE WITH VERTICAL OR INCLINED AXLE AND DRIVE EXPLOITATION - Google Patents

Description

       

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   Die Erfindung betrifft eine Windturbine mit vertikaler oder geneigter Rotorachse und Auftriebs- ausnutzung, bestehend aus einem Turm an dessen Spitze über ein horizontal oder geneigt liegen- des Drehlager eine Rotornabe mit Tragarmen drehbar angeordnet ist und die Leistung an einen oder mehrerer Generatoren, Hydraulik- oder Wasserpumpen übertragen wird, wobei wenigstens zwei an Tragarmen schwenkbar angeordnete Rotorflügel vorgesehen sind, welche ein aerodynami- sches Tragflügelprofil aufweisen, wobei die Flügellängsachse parallel oder in einem Winkel zur Rotorachse angeordnet ist und die Flügel während ihres Umlaufes um die Rotorachse zyklisch um eine parallel zur Flügellängsrichtung stehende Achse so gekippt werden,

   dass die Flügel in jeder Position entlang ihres Umlaufes immer eine möglichst grosse Komponente der Auftriebskraft in Richtung der Tangente des Rotationskreises erzeugen. 



   Die Bedeutung der Nutzung der Windenergie durch Windkraftanlagen hat in den letzten Jahren eminent zugenommen, da einerseits der Einsatz computergesteuerter Komponenten im elektro- technischen und mechanischen Bereich die Beherrschbarkeit der Windenergie und der Wirkungs- grad der Windanlagen gestiegen sind und andererseits die erneuerbaren Energien allgemein an Bedeutung gewonnen haben, vor allem durch die Notwendigkeit der Reduzierung des   C02-Aussto-   &num;es (ist bei der Stromerzeugung im EU-Schnitt zu 30% beteiligt) und anderer Verbrennungsgase. 



  Der Einsatz von Windmotoren kann einen beträchtlichen Beitrag zu diesem Vorhaben leisten, wobei durch technische Optimierung der   Windkraftanlagen   in Verbindung mit sinnvollen Einspeise- tarifen das Auslangen gefunden werden kann und somit auch aus dieser Sicht eine wirtschaftlich verwertbare Energiequelle zur Verfügung steht. 



   Die bisher im Einsatz befindlichen und gebauten Windräder für höhere Nennleistungen, z.B. 



  300-1500 KW bei einer Windgeschwindigkeit von 13,5 m/s sind meist als Propellerwindräder aus- geführt. Die Nachteile der Propellerwindräder mit horizontaler Achse sind in mehrfacher Hinsicht der Energiegewinnung aus der Windströmung hinderlich und können aus konstruktiven und aero- dynamischen Gründen nicht vermieden werden. Einerseits ist es so, dass aufgrund der Kreisflä- chenform im Bereich innerhalb des halben   Flügelradius   nur mehr 25% der gesamten Fläche zur Verfügung stehen. Im Bereich zur Flügelnabe hin wird auch das gewinnbare Antriebsdrehmoment immer geringer Derjenige Teil der Kreisfläche, welcher in der Nähe der Achse liegt kann also nicht ausgenützt werden. Zudem kommt noch, dass sich die endliche Flügelzahl besonders an den Flü- gelspitzen ungünstig bemerkbar macht.

   Die Ergebnisse der Propellertheorie tragen dem Rech- nung, wobei bereits von PRANDTL anstelle des wirklichen Durchmessers D der kleinere wirksame 
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 "Fortschrittsgrad" = v1/u wobei v1..... die Windgeschwindigkeit vor dem Windrad, und u.... die Um- fangsgeschwindigkeit darstellt. Ein weiterer Nachteil ist, dass der schwere Generator (bei grossen Anlagen mehrere Tonnen) an der Turmspitze angeordnet ist und ständig der Windrichtung nach- geführt werden muss. Die Leistungsabnahme z. B. mit Schleifringen stellt einen weitem Nachteil dar. 



  Weiters ist zu erwähnen die hohe Geräuschentwicklung infolge der hohen Geschwindigkeit an den Flugelspitzen, wobei hier bei grösseren Anlagen die Geräuschbelästigung im Infraschallbereich her- vorzuheben ist. 



   Im Bereich der Windmotoren mit vertikaler Drehachse gibt es bereits eine Reihe von Ausfüh- rungsvarianten, z. B. den Savonius-Rotor oder auch S-Rotor genannt, mit den halbzylinderförmigen Schalen (Leistungsfaktor Imax = 0,24), oder den Darrieus-Rotor bzw. den H-Darrieus-Rotor, wel- che bereits aerodynamische Flügelprofile aufweisen (siehe dazu "Windkraftanlagen" von E. HAU, 2. Aufl. 1995) Der Nachteil bei den Darneus-Rotoren ist allerdings, dass die Flügelprofile während ihres Umlaufes nicht verstellbar sind, der Leistungsfaktor daher mit rund 0,30 daher relativ niedrig liegt. 



   Weiters ist auch ein Windmotor mit vertikaler Achse und Auftriebsausnutzung bekannt (Disser- tation W. JUST, TH-Breslau 1936), bei welchem die senkrecht stehenden aerodynamisch geform- ten Flügel wahrend ihres Umlauf zyklisch mittels eines Exzenters angesteuert werden und so in jeder Position ein positives Drehmoment um die Rotorachse erzeugt wird. In dieser Schrift wird auch bereits nachgewiesen, dass ein Windmotor mit vertikaler Achse und Auftriebsausnutzung einen um 25% höheren Leistungsbeiwert aufweist als ein Propellerwindrad mit horizontaler Achse und gleicher Anströmfläche.

   Was allerdings auch rein anschaulich bereits verständlich ist, da sich einerseits die Flügel bei dieser Ausführung - und im Unterschied zum Propellerwindrad - entlang ihrer gesamten Länge im gleichen grossen Abstand von der Rotorachse befinden und andererseits 

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 dem Wind auch auf der hinteren Seite der bestrichenen   Rotorfläche   Energie entnommen wird. 



   Diese Ausführung besitzt allerdings den Nachteil, dass sie aufgrund der mechanischen Flügelver- stellung mittels Gestänge nur für kleine Leistungen geeignet ist und keine Anpassung der erforder- lichen Flügelkippung an die jeweilige Windgeschwindigkeit erfolgt. Die Lagerung und Aufhängung der Flügel sind zudem aerodynamisch ungünstig. Ein weiterer Nachteil ist die nach diesem System grosse erforderliche Flügeltiefe, da dort davon ausgegangen wird, dass der Hauptanteil der dem Wind entzogenen Energie im vorderen Bereich des von den Flügeln bestrichenen Zylindermantels erfolgt. Das Grundprinzip dieses Systems ist auch bekannt als Voith-Schneider-Propeller in der 
Schifffahrt, wo es sich für die ausgezeichneten Manövriereigenschaften bestens bewährt hat. 



   Ferner hat der Erfinder aufgrund seiner Konstruktionszeichnung vom 09. 05.1981 (AEROTECH, Zeichungs-Nr. 01 101 00) zwei- und dreiflügelige Windmotoren dieser Bauart hergestellt und er- folgreich in Erprobung gebracht. Die Ausführung entsprach der Konstruktion nach Fig. 22. Dabei wurden die senkrecht stehenden Flügel -47,48- je mittels eines Gestänges-51,52-, welches an einem Exzenter -55- durch die Kugellager -56- gelagert war, je nach Windrichtung während des ge- samten Umlaufes gesteuert. Eine am Exzenter-55- befestigte Windfahne-57- verstellte je nach Windrichtung den Exzenter-55-, der um den Mittelpunkt (M) drehbar war. Oben und unten ange- ordnete Tragarme-45,46- dienten mit den Drehpunkten-49,50- der Lagerung der Flügel -47,48-. 



  Nachteilig bei dieser Ausführung war, dass zwar die Windnchtung automatisch bei der Flügelkip- pung berücksichtigt wurde, nicht jedoch die Windstärke. Es konnte lediglich die Exzentrizität (e) mittels eines Langloches von Hand verstellt werden. 



   Aus der US 4 410 806 ist ferner eine Windturbine mit vertikaler Achse und verstellbaren Flü- geln bekannt, es werden dabei jedoch nicht die unterschiedlichen Durchlassfunktionen an der Vor- der- und Rückseite der Turbine berücksichtigt, weshalb der Wirkungsgrad insgesamt gering blei- ben muss. Die US 3 897 170 beschreibt eine Windturbine, weiche Anemometerschalen aufweist und daher nicht das Auftriebsprinzip verwendet, wodurch die Energieausbeute von vorneherein sehr niedrig ist. 



   Ziel der Erfindung ist es eine Windturbine zu schaffen, welche einerseits dem höchst zu errei- chenden Leistungsfaktor möglichst nahe kommt und andererseits eine relativ einfache Konstruktion aufweist, damit ein wirtschaftlicher Einsatz bei preiswerter Produktion realisierbar wird. Weiters an- gestrebt wird die Verringerung der Schnelllaufzahl   (#s   = u/v.... Umfangsgeschwindigkeit zu Wind- geschwindigkeit), um aus einer die Umgebung belästigenden Schallfrequenz herauszukommen. 



   Um dieses Ziel zu erreichen und um die Nachteile der bisher bekannten Windenergieanlagen zu beseitigen, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die Verstellung der Flügel, welche eine Zylindermantel-, Kegelmantel- oder eine andere durch die Kreisbewegung hergestellte Mantelflä- che beschreiben, um die Achse parallel zur Flügellängsrichtung hydraulisch, pneumatisch, elektro- mechanisch oder mechanisch während des Umlaufes der Flügel, wahlweise getrennt und unab- hängig voneinander automatisch zyklisch erfolgt, wobei dieser Schwenkvorgang in Abhängigkeit von der jeweiligen Windrichtung und Windgeschwindigkeit, der Windturbinendrehzahl, der erforder-   lichen Durchlassfunktionen, sowie der für den Antrieb des (r) bzw. Pumpe notwendi-   gen Drehzahl bzw. Drehmoment und Leistung erfolgt, z.

   B. unter Verwendung von elektrohydrauli- schen oder elektropneumatischen Proportional- oder Servoventilen, oder Elektroschaltern, wobei die an den Flügeln angreifenden Verstelleinrichtungen, wie z. B. doppelt wirkende Hydraulik- od. 



  Pneumatikzylinder, hydraulische od. elektrische Schwenkmotoren, elektrische Linearmotoren oder Hebeleinrichtungen eine integrierte oder externe Weg- bzw. Winkelaufnehmung aufweisen und ein Computer mit dem entsprechenden Rechnerprogramm laufend unter Berücksichtigung der erwähn- ten Parameter den augenblicklich erforderlichen Schwenkwinkel jedes einzelnen Flügels steuert bzw. regelt. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Konstruktion durch Verringerung der Flügeltiefe so ausgebildet ist, dass auch in dem - bezüglich der Windangriffsrich- tung hinteren Zylinder- bzw. Kegelmantelflächenbereich - dem Wind ein höherer Energieanteil ent- 
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 einer Windturbine mit senkrecht stehender Achse, bzw. ein grösserer Anteil im hinteren Bereich bei Windturbinen mit geneigter Achse und einen Kegelmantel beschreibende Umlaufbewegung der Flügel. 



   Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 
Zur Erläuterung des bisher Gesagten sei eine Abhandlung der grundlegenden Zusammen- 

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 hänge angeführt: 
Hat der Wind weit vor dem Windrad die Geschwindigkeit v1 und ist m die sekundlich durch das Windrad strömende Masse des Windes in kg ist die dazugehörige Leistung L1 = (m/2).v12. Dem Wind kann man aber nur einen Teil seiner Gesamtenergie entziehen, weil der Wind ja weiterströ- men muss, d. h. die Windgeschwindigkeit v1 wird im Windrad auf die Windgeschwindigkeit v2 abge-   bremst. Die dadurch zu erhaltene Leistung ist : = (m/2) . (v12-v22).   



   Wenn v' die Durchtrittsgeschwindigkeit des Windes durch die von den Flügeln bestrichene Fläche F ist, so ist m = p.F.v', wobei p die Luftdichte ist (p = 1,205 kg/m3). Also ist L = (p/2)F.V. 



    .(v12 - v2 2).   



   Die auf die   Windradfläche   F wirkende Schubkraft S infolge Verminderung von v1 auf v2 muss gleich der sekundlichen Änderung des Impulses sein : S = m.(v1 - v2). Andererseits ist die Leistung L = S.v' = m.(v1 -   v2).v' =     (m/2).(v12 -   v22) Daraus folgt für die Durchtrittsgeschwindigkeit   v' =   (v1 + v2)/2. 



   Führt man nun die "Durchlassfunktion" k ein, sodass v' = k.v1 ist, also dass für k = 1 die Luft überhaupt nicht, für k = 0 völlig abgebremst wird, also 0 < k < 1, folgt: v' = k.v1 = (v1 + v2)/2 oder v2 = v1.(2k -1) In die Gleichung von L eingesetzt folgt: 
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 also : dUdk = 0. Daraus folgt 2k - 3k2= 0 oder k = 2/3. 
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 stens 59,26% Energie dem Wind entziehen kann. Dieser Faktor wird auch als Leistungsfaktor   bezeichnet, sodass I = 0,5926 (Betz-Zahl). Mit anderen Worten : muss der Wind auf 1/3 seiner   ursprünglichen Geschwindigkeit abgebremst werden, um ihm die höchstmögliche Energie zu entziehen. 



   Nachdem der Wind also einen Teil seiner Energie abgegeben hat und mit der Geschwindigkeit v2 nach Verlassen des Windrades weiterströmt, könnte man auch versuchen dem Wind noch einmal Energie durch ein weiteres Windrad abzunehmen. Sodass die Gesamtleistung wäre Lges = Lvorn + Lhinten. Wenn man nun in obige Gleichungen einsetzt und für v2 = v1.(2k -1) setzt, erhält man wieder durch Differentieren und Nullsetzen, also (dLges/dk) = 0 den Wert für k = 0,75. Der Leistungsfaktor beträgt dann 1= 0,63. Die Steigerung wäre also nur 6,31% gegenüber einem Windrad, wodurch zwei Windräder hintereinander unwirtschaftlich wären. Allerdings ist dies - wie dies später gezeigt wird - nicht der Fall, wenn bereits mit einem Windrad mit vertikaler Achse dem Wind zweimal Energie, namlich an der vorderen und hinteren Seite, entzogen werden kann. 



   Bei einem Propellerwindrad ist nun der tatsächliche Leistungsfaktor, wie bekannt, nicht 0,5926 sondern es wird aus den oben bereits angeführten Gründen (Nichtausnützbarkeit der Kreisflache im Bereich der Nabenmitte, Flügelspitzenkorrektur usw. ), bei den besten Propellerwindrädem nur der Wert I = 0,5926 . 0,74 = 0,44 erreicht. 



   Bei der Berechnung des Leistungsfaktors von Windmotoren mit vertikaler oder geneigter Achse und Auftriebsausnutzung ist vorerst davon auszugehen, dass die Flügel so um eine vertikale bzw. geneigte Achse gekippt werden, dass die Flügel im Bereich der Windrichtungstangente zum Rotorkreis mit ihrer Profilsehne genau in Windrichtung stehen, also an diesen beiden Stellen keinen Beitrag zum Drehmoment bzw zur Leistung liefern können. Die Durchlassfunktion k wird also im Gegensatz zu früher jetzt variabel und ist abhängig vom jeweiligen Drehwinkel 5, sodass k =   k(#)   Wie aus obigem bereits bekannt, soll der Wert k möglichst nahe dem Wert 2/3 kommen.

   Die einfachste Konstruktion mit Hilfe eines Exzenters in der Windradmitte und mit einem Gestänge zur Flügelkippung entspricht einer variablen Durchlassfunktion von k = 1 -   x.sin±   Aus den obigen Ausführungen ist ja bekannt, dass L = (p/2).F.v13/4.(k2- k3). Da hier die Durchlassfunktion k nicht mehr 
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 Bereich den Windmotors, also das Integral von 0 bis Ò so erhält man für die Kippbewegung, der k = 1 -   x.sin#entspricht   für x den Wert 0,4, bei welchem L ein Maximum wird. Eingesetzt ergibt sich dann für Lmax der Wert Lmax = (p/2).F   v13.0,556.   Der Leistungsfaktor beträgt also I = 0,556. Man sieht also, dass der Leistungsfaktor I bei Windturbinen mit senkrechter Achse und Auftriebsaus- nutzung gegenüber den Propellerwindrädern um rd. 25% höher liegt. 



   Eine   Flügelspitzenkorrektion   kommt bei den Windmotoren mit vertikaler oder geeigneter Achse 

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 nicht in Frage, da man - wie an sich bekannt - an den Flügelenden Scheiben anbringt, um den induzierten Flügelwiderstand zu verringern. Berechnet man nun die Energie, welche dem Wind an der hinteren Windmotorseite entzogen wird ergibt sich - wie auch im Vorigen berechnet, bei Hintereinanderschaltung von zwei   Propellerwindrädern -   dass nur ein geringer Leistungszuwachs erfolgt. 



   Erfindungsgemäss wird jedoch vorgeschlagen, dass an der vorderen Windradseite nicht gleich die grösstmögliche Energie entzogen wird, sondern nur ein Teil der möglichen Energie, damit auch im hinteren Bereich des Windrades noch ein möglichst grosser zu entziehender Energieanteil entfällt. Dies wird einerseits dadurch erreicht, dass die Flügeltiefe relativ gering gehalten wird (also schmäler als nach einem Windrad nach Diss. JUST) und andererseits die Durchlassfunktion k für die vordere und hintere Seite nicht ident gewählt wird, was aufgrund der elektronischen Computersteuerung leicht realisierbar ist, d. h. Lmax = Lvorn + Lhinten. Mittels eines Simulationsprogrammes kann nun bestimmt werden, wie sich die höchste Leistungszahl 1 durch Variation der Durchlassfunktionen k und der Flügeltiefe t realisieren lässt. 



   Da die Flügel während ihres Umlaufes jeweils von der linken und rechten Seite angeströmt werden, ist es sinnvoll ein symmetrisches Tragflügelprofil zu wählen   (z.B.   NACA 0012), wobei allerdings durch die Kreisbewegung sich ein derartiger Flügel so verhält, wie ein Flügel mit gekrümmtem Profil. Die Flügel können aber auch eine gekrümmte Profilsehne aufweisen, da sie damit im Bereich der Tangente des Windes an den Rotationskreis einen geringeren Widerstand aufweisen. Für eine zyklische Kippbewegung der Flügel, ausgehend von der Windrichtung kann ein in der Praxis leicht zu realisierbarer Wert a = ao .   sin@(ao   ... max. Anstellwinkel) angegeben werden. 



   Berechnet man die Flügel nach der Gauert'schen Theorie der nichtstationären ebenen Potentialströmung, so ergibt sich nach Diss. JUST ein Wert für die Flügelbreite von t = (1,56.D)/ [(z).cao.c.(c2 +   k2)],   dabei ist D... Windraddurchmesser, z.... Flügelanzahl, cao...... Auftriebsbei- 
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 vorgeschlagen, in der Formel anstelle von z/2 die gesamte Flügelanzahl z zu setzen, somit wird die Flügeltiefe um 50% verringert und es wird erreicht, dass auch im hinteren halbzylinderförmigen von den Flügeln bestrichenen Bereich mehr Energie dem Winde entzogen wird. Ein zusätzlicher Effekt ist die Steigerung der Drehzahl. Der Wert c = u/v (Schnelllaufzahl) ist nicht so hoch wie bei den Propellerwindrädern (c = 5 bis 15), sondern wird in der Grössenordnung den Wert c = 2 erreichen. 



  Dies ist aber erwünscht, um die Geräusche und die Belastung der Flügel zu verringern. 



   Anhand von Zeichnungen soll nun der Erfindungsgegenstands näher erläutert werden: 
Fig.1 zeigt eine beispielsweise Windturbine in Seitenansicht; 
Fig. 2 die Windturbine in Draufsicht; 
Fig. 3 in Vogelperspektive; 
Fig. 4 zeigt die Lagerung der Flügel; 
Fig. 5,6 und 7 zeigen Formen der Tragarme; 
Fig. 8 und Fig. 9 zeigen das Schema für die Funktion bzw. für die Berechnung; 
Fig. 10, 11 und 11A zeigen eine weitere Ausführungsform; 
Fig.12, 13 und 14 zeigen einen Windmotor mit kegelförmiger Rotorfläche;   Fig. 15   eine weitere Ausführung mit geeigneter Achse; 
Fig. 16 und Fig. 17 ein Grosswindrad;   Fig. 18   und Fig. 19 Ausführungen von Flügelenden; 
Fig. 20 und Fig. 21 weitere Ausführungen der Flügel bzw.

   Tragarme: 
Fig. 22 eine Ausführung zum Stand der Technik; 
Fig. 23, 24 und 25 weitere Varianten von Flügelformen; 
Fig. 26 und Fig. 27 eine Windturbine mit einem grossen Verhältnis Höhe zu Durchmesser; 
Fig.28 und Fig. 29   Flügelstellungen;   
Fig. 30 hydraulisches Steuerschema ;   Fig. 31   Abtriebssituation: 
Fig. 32 Antrieb der Generatoren: 
Fig. 33 bis Fig. 36 verschiedene Generatorschaltungen. 



   Die Fig. 1,2 und Fig. 3 zeigen eine Windturbine der erfindungsgemässen Art, wobei die Erfin- dungsmerkmale aus diesen Zeichnungen noch nicht hervorgehen, jedoch der grundsätzliche Auf- bau bereits gegeben ist. Auf einem rohrförmigen Mast-1-, meist ein Stahlrohr, befindet sich oben ein waagrecht liegendes Drehlager -2-, an welchem eine Rotornabe-3- drehbar befestigt ist. 

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 Mittels der Tragarme -4,4a;5,5a;6,6a- gelagert befinden sich um Umfang angeordnet, senkrecht stehende aerodynamisch geformte Flügel -7,8,9-. Die Tragarme -4,4a;5,5a;6,6a- sind mittels diagonal angeordneten Verstrebungen-5b- verstärkt, wobei sowohl alle Tragarme -4,4a;5,5a;6,6a-, als auch die Verstrebungen aerodynamisch geformte Profile darstellen, um den Luftwiderstand so gering wie möglich zu halten.

   Im Beispiel nach Fig. 1,2 und Fig 3 sind auch konkrete Masse eingetragen um die Relationen besser darstellen zu konnen. Es handelt sich dabei um eine 600 KW Anlage Die angeströmte Windfläche errechnet sich dabei zu F = D. h. An der Unterseite des Turmes-1- befindet sich eine Türe -1a- und seitlich ist eine Aufstiegshilfe -1b-angeordnet, welche vorzugsweise jedoch innen vorgesehen sein wird. Der Generator befindet sich am Fusse des Turmes-1-. Da es sich um einen hohen Turm-1- handelt (im Beispiel ca 50 m) bietet sich an oben am Turm-1- eine Aussichtsterrasse -1c-vorzusehen. Im Beispiel nach Fig. 2 ist ein symmetrisches Flügelprofil angegeben z. B. NACA 0012, welches auch bei den ausgeführten Windturbinen des Erfinders bereits Anwendung gefunden hat. 



   Fig 4 zeigt die Lagerung der Flügel -7,8,9-. Ein Tragarm-4-, welcher schwenkbar um die Achse-16- angeordnet ist, besitzt an seinem vorderen Ende eine Lagerstelle -14- in welcher ein Lagerblech -10- schwenkbar gelagert ist, welches den Flügel -8- trägt. Ein Hydraulikzylinder-11- greift an der Lagerstelle -13- in das Lagerblech ein und ist gleichzeitig am Tragarm-4- beim Punkt-12gelagert. Mittels der Hydraulikleitungen -19,20- wird der Hydraulikzylinder -11- mit Drucköl versorgt. Die Kippbewegung der Flügel -7,8,9- kann auch mittels hydraulischer Schwenkmotoren realisiert werden. Der Tragarm-4- ist mittels der Laschen -15,15a - mit der Rotornabe-3- verbunden. 



  Diese Ausführung ist für alle drei Flügel -7,8,9- gleich. Die unteren Tragarme -4a,5a,6a- benötigen normalerweise keinen eigenen Schwenkzylinder -11-, jedoch ein Schwenklager, welches axial mit dem Lager-14- zusammenfällt. Die waagrecht liegenden Lagerachsen -17,18- sind die weiteren Lagerstellen für die beiden anderen Lagerarme-5,6-. Ebenso schwenkbar sind die unteren Lagerarme   -4a,5a,6a-.   Durch diese Schwenkmöglichkeit sind die Komponenten wesentlich einfacher zu montieren. Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen einen Schnitt A-B durch den Lagerarm-4- und zeigen verschiedene aerodynamische Ausbildungen der Tragarmprofile -4',4",4"'-. Günstigerweise befindet sich die Lagerstelle -14- in Höhe des Druckpunktes des Profiles der Tragflügel -7,8,9-, um das erforderliche Schwenkmoment so gering als möglich zu halten. 



   Fig. 8 zeigt das Schema der Steuerung während des Umlaufes des senkrecht stehenden Flügels -7-. Der Wind strömt mit v1 auf die vordere Seite des Flügels -7- auf, wobei der Flügel gegen- über der x-Achse so geneigt ist, dass die resultierende Geschwindigkeit vR aus Umfangsgeschwindigkeit u und v1 in einem Anstellwinkel a zum Flügelprofil steht, sodass ein Auftrieb A entsteht, mit einer Tangente At zum Rotationskreis -21-. Ebenso entsteht an der hinteren Seite, wo der Wind nur mehr die abgebremste Geschwindigkeit v2 aufweist, ein Auftrieb A' zur Verstärkung des Drehmomentes Die Flügel -7,8,9- werden nun so gesteuert, dass sie in jeder Position - ausgenommen wenn die Flügel -7,8,9- genau in Windrichtung stehen - ein positives Antriebsmoment A. r, bzw. At. R erzeugen.

   In Fig. 8 ist ferner der Schwenkwinkel p dargestellt, der Winkel zwischen Profilsehne und der jeweiligen Tangente zum Rotationskreis. Da die Flügel -7,8,9- unabhängig voneinander steuerbar sind, kann eine unterschiedliche mittlere Durchlassfunktion an der Vorder- und Rückseite - in Bezug auf die Windrichtung - der Windturbine realisiert werden. Wenn also dem Wind z. B. vorne (also von 0 bis Ò) und von hinten   (von 1{ bis   2.Ò) gleich viel Leistung entnommen werden soll, muss die Abbremsung im vorderen Bereich von v1 auf v2 wie folgt sein :
Da die sekundliche Gesamtenergie des Windes vor dem Windrad Lo = (p/2).F.v13 beträgt und der Wind nur max. auf 1/3 seiner ursprünglichen Geschwindigkeit abgebremst werden kann, um ihm die grösstmögliche Leistung zu entziehen, kann man damit die Durchlassfunktionen kv (vorne) und kh (hinten) berechnen.

   Da vorne und hinten dann nur mehr 1/3 von der Gesamtenergie ent- 
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 = 1/12; d. h. die Durchlassfunktion vorne ist etwa kv= 1/3. Im vorderen Bereich verliert also der Wind nur ca 1/3 seiner Geschwindigkeit (v2 =   (1/3).v1),   im hinteren Bereich dann das weitere Drittel. Die Durchlassfunktion k = 1 -   x.sin#   und damit der Wert x ist abhängig vom jeweiligen Anstellwinkel a des Flügels -7-. Werden z. B. die Flügel -7,8,9- im vorderen Bereich von 0 bis Òso gesteuert, dass diese zur resultierenden Windrichtung vR immer so stehen, dass kein Auftrieb entsteht, ist k = 1, der Wind wird nicht abgebremst, d. h. x = 0 Der Wert x ist ein Mass für den maximalen Verstellwinkel und somit für den Anstellwinkel a. Bei zunehmendem Anstellwinkel a 

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 wird dem Wind mehr Energie entzogen werden.

   Der Wert x ist ferner ein Mass für die Exzentrizität e nach Fig. 22, d. h. im einfachen Fall ist e =   c1   + c2.x, (c1,c2 .... Konstante). In eine Mikropro- zessorsteuerung kann nun der Wert x für die vordere kv und hintere Durchlassfunktion kh eingeben werden, bzw. wird automatisch im Computer aufgrund der geforderten Antriebsdaten generiert. 



   Fig. 9 wurde bereits bei der mathematischen Ableitung erwähnt 
Fig. 10 zeigt eine beispielsweise Ausführung eines erfindungsgemässen Windmotors, wobei die radial angeordneten Tragarme-4,4a;6,6a- mit Hilfe eines Tragflächenstückes -23,23a- ein Gelenk- viereck -24,24a,25,25a- bilden. Mit Hilfe eines Seilzuges -22,22a- und einer nicht dargestellten 
Seilwinde oder eines Hydraulikzylinders -22b- kann das Gelenkviereck -24,24a,25,25a- mit den um die Achsen-14,14'- verstellbaren Flügeln -7,8- in vertikaler Richtung gehoben oder gesenkt wer- den. Beim Absenken ergibt sich somit ein kleinerer Durchmesser D', dies kann z. B. bei Sturm angebracht sein und mittels automatischer Regelung erfolgen. Die Tragarme-4,4a;6,6a- bestehen zumindest im äusseren Bereich aus Tragflächenprofilen, wie in der Fig. 11, welche den Schnitt C-D darstellt, ausgeführt ist.

   Durch entsprechende Ausbildung entsteht somit ein Auftrieb A", da die Tragarme-4,4a;6,6a- mit der Geschwindigkeit u" angeblasen werden Der Auftrieb A" verringert nun die Lagerbelastung des Drehlagers -2-, womit Reibungsenergie eingespart werden kann. In 
Fig. 11A ist ein Schnitt X-X dargestellt, der zeigt, dass das Verbindungsstück-23,23a- ebenfalls als Tragflächenprofil ausgebildet ist, wodurch in diesem Bereich ein "Doppeldeckersystem" entsteht, mit dem Effekt eines höheren Auftriebes. An der Spitze der Rotornabe-3- ist eine Windmessein- richtung-99- vorgesehen, welche sowohl die Windgeschwindigkeit als auch die Windrichtung lau- fend misst und an eine Mikroprozessorsteuerung weitergibt. Ebenfalls laufend gemessen wird die Position der Tragarme-4,5,6- in Bezug auf die jeweilige Windrichtung und die augenblickliche Win- kelstellung der Flügel -7,8,9-.

   Die Mikroprozessorsteuerung regelt somit laufend die Flügelstellung während ihres Umlaufes unter Bezugnahme auf die gewünschten Leistungsparameter, wie Dreh- zahl, Drehmoment usw. In Fig. 10 ist ferner die Verankerung -1b- der Windturbine erkennbar, wo- bei - wie an sich bekannt - im Boden ein Betonring mit Stahlstreben zum Montagesockel vorgese- hen ist, an welchem der zylinder- oder kegelförmige Rohrturm -1- aufgeschraubt wird. 



   Fig. 12,13 und Fig. 14 (Schnitt durch den Flügel -28-) zeigen eine erfindungsgemässe Varian- te, bei welcher die Rotomabe -35- in einem Winkel &num; schräg steht. Die Flügel -27,28,29,30- bewe- gen sich auf einer Kegelmangelfläche mit einem Spitzenwinkel von etwa 90 . Die Flügel -27,28,29,30- sind ebenfalls um eine Lagerung-33- verdrehbar angeordnet, um den jeweils opti- malen Anstellwinkel zu erzielen. Wie in Fig. 13 erkennbar ist dabei die Anströmfläche eine Ellipse -31-. Im oberen Bereich ist sowohl ein Drehlager -34- als auch ein Schwenklager -36- vorgesehen. 



  Eine Verstrebung-32- verhindert, dass die Flügel -27,28,29,30- nach aussen wandern. Hier wird also dem Wind hauptsächlich auf der hinteren Seite Energie entzogen, da die Flügel -27,28,29,30- im oberen Bereich eine waagrechte Position durchlaufen. Der Generator-38- kann hier ebenfalls im Bereich des Turmfusses angeordnet sein, wobei die Leistungsübertragung mittels einer Welle -37- und zwei Kardangelenken-37a,37b- erfolgt. Durch das Anströmen des Windes auf der konkaven Seite des Windrades ergibt sich ein zusätzlicher Staueffekt, womit eine Erhöhung des Leistungs- faktors zu erwarten ist. Fig. 15 zeigt eine ähnliche Windturbine, wobei der Turm-26a- bis nach unten schräg verlaufend vorgesehen ist und die Drehung in Windrichtung erst an einem unter Lager-36a-, welches auf einem Sockel montiert ist, erfolgt.

   Die Windturbinen nach Fig. 12 und Fig. 15 richten sich automatisch zum Wind, können aber zusätzlich mit einer elektrischen Wind- richtungsverstelleinrichtung ausgerüstet sein. 



   Fig. 16 zeigt eine Grosswindanlage mit z.B. D = 120 m Durchmesser. Die weit ausladenden Tragarme-4,4a,5,5a- sind wie in Fig. 17 (Schnitt E-F) erkennbar durchgehend als Tragflächenprofi- le ausgebildet, ebenso wie die senkrechten Verstrebungen-4b-. Stahlseile -40,41- halten die Trag- arme -4,4a,5,5a- nach oben. Ansonsten sind die Flügel -7,8,9- ebenso wie vorhin beschrieben durch die Zylinder -11- steuerbar. An diesem Beispiel ist erkennbar, dass es mit Hilfe der erfin- dungsgemässen Ausführung sehr leicht möglich ist Windturbinen mit sehr hoher Leistung zu reali- sieren ; im dargestellten Beispiel mit ca. 2000 KW Nennleistung. In Fig. 16 sind die Flügel -7,8,- an beiden Seiten bereits mit Endscheiben-42- versehen, zur Verringerung des induzierten Widerstan- des an den Flügelenden. In Fig. 18 ist eine Endscheibe-42- dargestellt.

   Eine weitere Möglichkeit den induzierten Widerstand an den Flügelenden zu verringern besteht darin, dass man mehrere schmälere Flügel -43,43a,43b- hintereinander vorsieht. Dieses Prinzip wurde von den Vogelflügeln 

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 abgeschaut. 



   Fig. 20 zeigt eine Ausführung für die Tragflügelkonstruktion der umlaufenden Flügel -8a-, bei welcher der hintere Flügelteil als Klappe -8b- zur Veränderung der Auftriebszahl schwenkbar aus- gebildet ist. Es muss somit nicht der gesamte Flügel -7,8,9- um die Schwenkachse-14- geschwenkt werden, sondern nur ein kleinerer Flügelanteil -8b- mit der Drehachse-44-. Die Verstellung in die Positionen-8b'- und-8b"- kann hier ebenfalls elektrohydraulisch oder elektromechanisch usw. erfolgen. Die Einbindung des Flügels -8a- in den Tragarm-4- kann hier auf einfache Weise starr, mittels des Verbindungsbleches -10'- durchgeführt werden.

   Fig. 21 zeigt, dass auch die Tragarme -4,4a- mittels Hochauftriebshilfen -4c, 4c'- einem veränderbaren Auftrieb zugeführt werden können, sodass während des Umlaufes der Tragarme-4,4a- diese in Abhängigkeit von der jeweiligen Wind- anblasegeschwindigkeit (vw) an der Vorder- und Rückseite mittels des Computerprogrammes so gesteuert werden können, dass alle Tragarme-4,5,6- immer einen gleich grossen Auftrieb erhalten, zur gleichmässigen Entlastung des Drehlagers -2-. 



   Fig. 22 zeigt die bereits Eingangs beschriebene Ausführungsform eines bekannten vom Erfin- der gebauten Windmotors. Die Laschen-53,54- sind an den Flügeln -47,48- dieses zweiflügeligen Modells angeschraubt. Um eine erfindungsgemasse Windturbine zu konstruieren ist es notwendig, die starren Steuerstangen -51,52- z. B. durch Hydraulikzylinder zu ersetzen und eine automatische Verstellung der Exzentrizität (e) ebenfalls mittels eines elektrohydraulischen oder elektromechani- schen Verstellelementes umzusetzen. In der Ausführung nach Fig. 22 erfolgt die Verstellung nach der Windrichtung durch die Windfahne-57- rein mechanisch, ein System, dass für kleinere Lei- stungen (bis 200 KW) durchaus positiv zu beurteilen ist.

   Für die Computersteuerung für grosse Anlagen könnte als Basis ein Rechenmodell nach dem Bewegungsschema nach Fig. 22 erstellt werden Da nach Fig. 22 die Steuerstangen-51,52- gleich lang sind ergibt sich je nach der erfor- derlichen Exzentrizität (e) ein unterschiedlicher Gierwinkel s, der die Richtung des Mittelpunktes M zum Lagerpunkt-56- der Exzenternocke -55- beschreibt Je kleiner nun die Windgeschwindigkeit ist um so grösser muss die Exzentrizität (e) sein, um die Flügel -47,48- in die optimale Auftriebs- position zu bringen. Die Flügel -47,48- beschreiben einen Rotationskreis-21-, während die Steuer- stangen-51,52- dazu exzentrische Kreise beschreiben. Die Flügel -47,48- sind in dem Beispiel als symmetrische Flügel ausgebildet, es können jedoch auch gekrümmte Profile vorgesehen werden. 



   Die Fig. 23,24 und 25 beschreiben unterschiedliche Flügelformen. Nach Fig. 23 sind die Flügel -60,61- mit dem Radius (RF) gekrümmt ausgeführt. Mittels Seilen -66- können die Flügel -60,61- zusätzlich gehalten werden. Die Flügelverschwenkung erfolgt dabei um die senkrecht stehenden Achsen-14'-. Fig 24 zeigt eine Ausführung mit geknickten Flügeln -62,63-, wobei die Tragarme als Fachwerke ausgebildet sind, ähnlich wie bei Kranauslegern, wie auch in Fig. 24A dargestellt. Aller- dings sollten dabei die Rohre aus aerodynamisch oder ovalförmig geformten Profilen bestehen. In Fig. 25 sind Tragflügel-64,65- mit nach aussen hin konkaver Form dargestellt; es soll mit den gekrümmten Profilen -60,61,62,63,64,65- den Belastungen durch die Fliehkräfte besser Rechnung getragen werden.

   Fig. 26 zeigt eine dreiflügelige Windturbine der erfindungsgemässen Bauart, wel- che durch mehrere Etagen gebildet wird. Dabei ist das Verhältnis Höhe h zu Durchmesser D, also h/D besonders gross, somit erhöht sich auch die Drehzahl der Turbine. Zwischen mehreren Trag- sternen -67- befinden sich die Flügel -7,8,9-, welche jeweils um die Achsen -14,14a,14b- schwenk- bar sind. Die Windturbine sowie der Mast-1- sind nach oben hin verjüngend ausgebildet. Die Fig. 28 und Fig. 29 zeigen verschiedene   Flügelstellungen.   In Fig. 28 ist die Sturmstellung darge- stellt; alle Flügel -7,8,9- werden ab einer gewissen Höhe der Windgeschwindigkeit ständig in Wind- richtung stehend geregelt. Das Windrad steht dabei. Fig. 29 zeigt ein Schema für den Anlauf des Windrades, die Positionen des Flügels -7- während der Startphase.

   Hierbei arbeitet das Windrad als Widerstandsläufer; bei Erreichen einer gewissen Drehzahl werden die Flügel automatisch auf Auftriebssteuerung umgeschaltet. 



   Fig 30 zeigt einen beispielsweisen elektrohydraulischen Regelkreis anhand eines Servoventi- les bzw. Proportionalventiles -71-. Der Servo-Verstellzylinder -11- für die Flügelverstellung der Flü- gel -7,8,9- weist ein integriertes Wegmesssystem-69- mit einer Auswerteelektronik -70- auf. Das Regelventil -71- regelt den Hub des Servozylinders -11-, wobei über einen Ventilverstärker -72- der Magnet des   Regelventiles   -71- erregt wird. Ein Positionsregler -73- vergleicht nun die Stellung des Kolbens des Servozylinders -11- mit dem in der übergeordneten Steuerung-74- vorgegeben augenblicklichen Wert. 

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   Fig. 31 und Fig. 32 zeigen ein Antriebsschema für den Generatorantrieb. In Fig. 31 ist das Drehlager -2- dargestellt, welches eine Innenverzahnung aufweist, wobei der Innenring des Dreh- lagers -2- mit der Rotornabe-3- fest verbunden ist. Das Drehlager -2- nimmt alle Querkräfte und senkrechten dynamischen und statischen Kräfte der kreisenden Bauteile auf. In die Verzahnung des Innenringes des Drehlagers -2- greift ein Ritzel -75- ein, welches mit einer nach unten führen- den Welle -77-, am besten einer Hohlwelle - verbunden ist. Durch Lagerungen-76- geführt wird die Welle -77- über eine Kupplung-77a- zum Getriebe-78,78a- geführt und treibt über eine Überset- zung mit schrägverzahnten Stirnrädern z. B. zwei oder auch mehrere Generatoren-81,82- an.

   Bei der Verwendung von mehreren Generatoren-81,82- können diese je nach Windanfall digital zu- oder abgeschaltet werden, wobei dies mittels Elektromagnetkupplungen -79,80- oder steuerbaren hydrodynamischen Kupplungen (Wandlergetrieben) - wie an sich bekannt - durchführbar ist. Über Transformatoren-83,84- wird die Leistung in das Netz-85- eingespeist. 



   Die Fig. 33 bis Fig. 36 zeigen beispielsweise Ausführungen für die Schaltung von Asynchron- bzw. Synchrongeneratoren zur Netzeinspeisung. In Fig. 33 ist ein Asynchrongenerator-87- mit direkter Netzeinspeisung dargestellt. Die Windturbine-98- treibt über einen Antriebsstrang-77- das Getriebe-78- an, welches über die Kupplung -80- mit dem Generator-87- in Verbindung steht. Für   kleinere Leistungen ist dieser Aufbau brauchbar ; grösseren Asynchronmotoren ohne besondere   Vorrichtungen ist der entstehende Netzaufschaltstoss jedoch unerwünscht. Da der Blindleistungsbe- darf eines Asynchrongenerators leistungsabhängig ist, kann eine statische Kompensation nur für einen bestimmten Betriebspunkt gelten. Der Asynchrongenerator-87- wird mit einer konstanten Drehzahl, z.B. 1500 Upm, betrieben. Über den Trafo-90- wird in das Hochspannungsnetz einge- speist.

   Fig. 34 bis Fig. 36 zeigen   drehzahlvariable   Generatorsysteme. Fig. 34 zeigt einen Syn- chrongenerator-87a- mit statischem Frequenzumformer -93,94-. Mit dieser Konzeption ist ein grosser Drehzahlbereich der Windturbine möglich, da der Gleichstromzwischenkreis eine völlige Entkopplung der Generatordrehzahl von der Drehzahl der Windturbine und damit von der Netzfre- quenz bewirkt. Das Generatormoment kann über eine geeignete Steuerung des Gleichstrom- zwischenkreises geregelt werden. Fig. 35 zeigt einen Asynchrongenerator-88- mit übersynchroner Stromrichterkaskade-95,96-. Die normalerweise verlorene Schlupfleistung des Läufers kann durch Rückspeisung mittels eines einfachen Zwischenkreises, bestehend aus einem ungesteuerten Gleichrichter und einem netzgeführten Wechselrichter genutzt werden.

   Ein Nachteil ist der hohe Blindleistungsbedarf dieser Konzeption. Fig. 36 beschreibt einen doppeltgespeisten Asynchron- generator mit Direktumrichter-97-. Dieses System wurde bei Grosswindanlagen eingesetzt und kann im über- oder untersynchronen Drehzahlbereich sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden. Mit Hilfe einer geeigneten Regelung wird die vom Umrichter-97- erzeugte Fre- quenz der Frequenz des Läuferdrehfeldes überlagert, sodass die abgegebene überlagerte Fre- quenz unabhängig von der Läuferdrehzahl konstant bleibt. Bei Verwendung von mehrerer Genera- toren besteht auch die Möglichkeit, die verschiedenen Konzeptionen sinnvoll miteinander zu ver- knüpfen, um somit eine höhere Leistungsausbeute zu erzielen.

   Die Mikroprozessorsteuerung ver- arbeitet laufend die einlaufenden Signale der Sensoren, wie Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Position der Tragarme-4,5,6- zur jeweiligen Windrichtung, Kippwindkel der Flügel -7,8,9- zur Tangente des Rotations-kreises-21-, Auftrieb der Tragarme-4,5,6-, Position der Auftriebsklappen -4c, 4c'- der Tragarme-4,5,6-, Windturbinendrehzahl, Generatordrehzahl, Spannung und Frequenz; sowie laufende Überwachung und Statistik der in das Netz eingespeisten Arbeit in KWh. Mittels Bildschirm kann ständig der Betriebszustand überprüft werden, wobei laufend Kontrollfunktionen durchgeführt werden. Eine Fernüberwachung mittels Datenübertragung an eine zentrale Stelle garantiert den effizienten und sicheren Einsatz einer derartigen Windenergieanlage. 



   Damit sind einige Beispiele der erfindungsgemässen Windturbine beschrieben, wobei im Rah- men der Grundidee weitere Variationen denkbar wären. Z. B. könnte die Achse der Rotornabe-3-    als Spezialfall auch völlig waagrecht angeordnet sein ; derNachteil ist allerdings, dass die Windtur-   bine dann ständig der Windrichtung nachzuführen wäre. Betreffend des Antriebes wäre auch denk- bar, dass über eine vom Triebstrang-77- angetriebene regelbare Hydraulikpumpe der bzw. die Generator (en) betrieben werden. Die Steuerung der Hydraulikpumpe könnte dann so erfolgen, dass unabhängig von der Drehzahl der Windturbine der Generator stets mit einer konstanten Drehzahl betrieben wird.

   Wird eine Windturbine nur zur Warmwasserbereitung verwendet, kann ein Hydrau- liköl mittels eines geschlossenen Kreislaufes ständig über eine verstellbare Drossel im Kreis 

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 gepumpt werden und das so erhitzte O1 mittels einer Wärmetauscherspirale in einem Wassertank das darin befindliche Wasser erwärmen 
Da die Flügel -7,8,9- gegenüber den Flügeln der herkömmlichen Propellerwindräder nicht ver- schränkt sein müssen und die Flügel -7,8,9- über ihre gesamte Länge den gleichen Querschnitt aufweisen, sind diese auch billiger herzustellen. Als Material kann z.B. gewählt werden Alu-Blech oder Kunststoffplatten (Polycarbonat) oder die Flügel -7,8,9- werden aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder Kohlefaserverbundwerkstoffen gefertigt. 



   Abschliessend soll noch erwähnt werden, dass der erforderliche Einspeisetarif für eine wirt- schaftliche Nutzung der Windenergie bei der beschriebenen Konstruktion nicht so hoch zu sein braucht wie bei den Propellerwindrädern, da durch den um 25% höheren Leistungsbeiwert die Anlage bei gleicher Leistung kleiner baut und durch das Konstruktionsprinzip selbst die Herstell- und Wartungskosten vergleichsweise weit niedriger sind. 



   PATENTANSPRÜCHE : 
1 Windturbine mit vertikaler oder geneigter Rotorachse und Auftriebsausnutzung, bestehend aus einem Turm an dessen Spitze über ein horizontal oder geneigt liegendes Drehlager eine Nabe mit Tragarmen drehbar angeordnet ist und die Leistung an einen oder mehrere 
Generatoren, Hydraulik- oder Wasserpumpen übertragen wird, wobei wenigstens zwei an 
Tragarmen schwenkbar angeordnete Rotorflügel vorgesehen sind, welche ein aerodynami- sches Tragflügelprofil aufweisen, wobei die Flügellängsachse parallel oder in einem Winkel zur Rotorachse angeordnet ist und die Flügel während ihres Umlaufes um die Rotorachse zyklisch um eine parallel zur Flügellängsrichtung stehende Achse so gekippt werden,

   dass die Flügel in jeder Position entlang ihres Umlaufes immer eine möglichst grosse Kompo- nente der Auftriebskraft in Richtung der Tangente des Rotationskreises erzeugen, wobei die Verstellung der Rotorflügel unter Zuhilfenahme einer Mikroprozessorsteuerung in Ab- hängigkeit von Windturbinendrehzahl, Windgeschwindigkeit und Windrichtung mittels Ver- stelleinrichtungen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung der Flügel (7,8,9; 
27,28,29,30 ; 47,48 ; 60,61 ; 62,63 ; 64,65), welche eine Zylindermantel-, Kegelmantel- oder eine andere Rotationsfläche beschreiben, um die Achse (14,14'; 14",14") parallel zur Flü-   geflängsrichtung -   wie an sich bekannt - hydraulisch, pneumatisch, elektromechanisch   oder mechanisch während des Umlaufes der Flügel (7,8,9; 27,28,29,30 ; 60,61;   
62,63 ;

   64,65), wahlweise getrennt und unabhängig voneinander automatisch zyklisch er- folgt, wobei dieser Schwenkvorgang zur Erreichung des jeweiligen Schwenkwinkels   (#)   ab- hängig von den Durchlassfunktionen (kv, kh), sowie - wie an sich bekannt - der für den An- trieb des(r) Generators (en) (81,82,87,87a, 88,89) bzw. Pumpe notwendigen Drehzahl bzw. 



   Drehmoment und Leistung erfolgt, z. B. unter Verwendung von elektrohydraulischen oder elektropneumatischen Proportional- oder Servoventilen (71), oder Elektroschaltern, wobei die an den Flügeln (7,8,9; 27,28,29,30; 47,48 ; 60,61 ; 62,63 ; 64,65) angreifenden Verstell- einrichtungen, wie z.B. doppelt wirkende Hydraulik- od. Pneumatikzylinder (11), hydrauli- sche od. elektrische Schwenkmotoren, elektrische Linearmotoren oder Hebeleinrichtungen eine integrierte oder externe Weg- bzw. Winkelaufnehmung (69) aufweisen und ein Com- puter laufend unter Berücksichtigung der erwähnten Parameter (kv, kh, v1, Windrichtung, 
Drehzahl) den in der augenblicklichen Position erforderlichen Schwenkwinkel   (#)   jedes ein- zelnen Flügels (7,8,9; 27,28,29,30; 47,48 ; 60,61 ; 62,63 ; 64,65) steuert bzw. regelt.



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   The invention relates to a wind turbine with a vertical or inclined rotor axis and buoyancy utilization, consisting of a tower at the top of which is rotatably arranged via a horizontally or inclined rotary bearing, a rotor hub with support arms and the power to one or more generators, hydraulic or Water pumps are transmitted, wherein at least two rotor wings are pivotally arranged on support arms, which have an aerodynamic wing profile, the longitudinal axis of the wing being arranged parallel or at an angle to the rotor axis and the blades during their rotation about the rotor axis cyclically around a parallel to the longitudinal direction of the wing standing axis are tilted so

   that the wings always generate the greatest possible component of the lift force in the direction of the tangent of the rotation circle in any position along their rotation.



   The importance of using wind energy by wind turbines has increased dramatically in recent years, because on the one hand the use of computer-controlled components in the electro-technical and mechanical field has increased the controllability of wind energy and the efficiency of wind turbines, and on the other hand, renewable energies have become generally more important mainly due to the need to reduce C02 emissions (30% of the EU average is generated) and other combustion gases.



  The use of wind motors can make a considerable contribution to this endeavor, whereby the technical optimization of the wind turbines in connection with reasonable feed-in tariffs can be used to find the right solution and an economically viable energy source is also available from this point of view.



   The wind turbines that have been used and built so far for higher nominal outputs, e.g.



  300-1500 KW at a wind speed of 13.5 m / s are mostly designed as propeller wind turbines. The disadvantages of propeller wind turbines with a horizontal axis are a hindrance to the generation of energy from the wind flow in several respects and cannot be avoided for structural and aerodynamic reasons. On the one hand, due to the circular shape in the area within half the wing radius, only 25% of the total area is available. In the area towards the wing hub, the drive torque that can be obtained is also becoming less and less. That part of the circular area which is close to the axis can therefore not be used. In addition, there is the fact that the finite number of wings is particularly noticeable at the wing tips.

   The results of the propeller theory take this into account, whereby PRANDTL already uses the smaller effective one instead of the actual diameter D.
 EMI1.1
 "Degree of progress" = v1 / u where v1 ..... represents the wind speed in front of the wind turbine, and u .... the circumferential speed. Another disadvantage is that the heavy generator (several tons in large systems) is located at the top of the tower and has to be constantly adjusted to the wind direction. The decrease in performance z. B. with slip rings is a major disadvantage.



  It should also be mentioned the high level of noise caused by the high speed at the wing tips, whereby the noise pollution in the infrasound range is to be emphasized in larger systems.



   In the field of wind motors with a vertical axis of rotation, there are already a number of design variants. B. the Savonius rotor or S-rotor, with the semi-cylindrical shells (power factor Imax = 0.24), or the Darrieus rotor or the H-Darrieus rotor, which already have aerodynamic wing profiles (see also "Wind turbines" by E. HAU, 2nd ed. 1995) The disadvantage of the Darneus rotors is, however, that the wing profiles cannot be adjusted during their rotation, the power factor is therefore relatively low at around 0.30.



   Furthermore, a wind motor with a vertical axis and use of lift is also known (dissertation W. JUST, TH-Breslau 1936), in which the vertically standing aerodynamically shaped blades are cyclically controlled by means of an eccentric during their rotation and thus in any position positive torque is generated around the rotor axis. This document already proves that a wind motor with a vertical axis and buoyancy utilization has a 25% higher power factor than a propeller wind turbine with a horizontal axis and the same inflow area.

   However, this is already understandable, because on the one hand the blades in this version - and in contrast to the propeller wind turbine - are at the same distance from the rotor axis along their entire length and on the other hand

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 energy is also drawn from the wind on the rear side of the coated rotor surface.



   However, this design has the disadvantage that, due to the mechanical wing adjustment by means of a linkage, it is only suitable for small outputs and the required wing tilt is not adapted to the respective wind speed. The storage and suspension of the wings are also aerodynamically unfavorable. A further disadvantage is the large wing depth required according to this system, since it is assumed that the major part of the energy extracted from the wind takes place in the front area of the cylinder jacket covered by the wings. The basic principle of this system is also known as the Voith Schneider Propeller in the
Shipping where it has proven itself for the excellent maneuverability.



   Furthermore, based on his design drawing of May 9, 1981 (AEROTECH, drawing no. 01 101 00), the inventor produced two and three-bladed wind motors of this type and successfully tested them. The execution corresponded to the construction according to Fig. 22. The vertical wings -47,48- were each by means of a linkage-51,52-, which was mounted on an eccentric -55- by the ball bearings -56-, depending on the wind direction controlled during the entire cycle. A wind vane-57- attached to the eccentric-55- adjusted the eccentric-55- depending on the wind direction, which was rotatable about the center point (M). Supporting arms-45,46- arranged at the top and bottom with the pivot points-49,50- served to support the wings -47,48-.



  A disadvantage of this design was that the wind direction was automatically taken into account when the wing tilted, but not the wind force. Only the eccentricity (e) could be adjusted by hand using an elongated hole.



   A wind turbine with a vertical axis and adjustable blades is also known from US Pat. No. 4,410,806, but the different passage functions on the front and rear of the turbine are not taken into account, which is why the overall efficiency must remain low. US 3 897 170 describes a wind turbine which has anemometer shells and therefore does not use the principle of buoyancy, as a result of which the energy yield is very low from the outset.



   The aim of the invention is to create a wind turbine which, on the one hand, comes as close as possible to the highest possible power factor and, on the other hand, has a relatively simple construction so that it can be used economically with inexpensive production. Another aim is to reduce the high-speed number (#s = u / v .... circumferential speed to wind speed) in order to come out of a sound frequency that is a nuisance to the environment.



   In order to achieve this goal and to eliminate the disadvantages of the wind power plants known to date, it is proposed according to the invention that the adjustment of the blades, which describe a cylinder jacket, cone jacket or another jacket surface produced by the circular movement, about the axis parallel to the axis Blade longitudinal direction hydraulically, pneumatically, electro-mechanically or mechanically during the rotation of the blades, optionally separately and independently of one another, automatically and cyclically, this pivoting process depending on the respective wind direction and wind speed, the wind turbine speed, the required passage functions and the necessary for the drive of the (r) or pump speed or torque and power, z.

   B. using electrohydraulic or electropneumatic proportional or servo valves, or electric switches, the attacking on the wings adjusting devices such. B. double-acting hydraulic od.



  Pneumatic cylinders, hydraulic or electrical swivel motors, electrical linear motors or lever devices have an integrated or external path or angle recording and a computer with the corresponding computer program continuously controls the regulating swivel angle of each individual wing taking into account the parameters mentioned. A further embodiment of the invention consists in that the construction is designed by reducing the wing depth in such a way that even in the cylinder or conical lateral surface area which is at the rear with respect to the direction of wind attack, the wind receives a higher proportion of energy.
 EMI2.1
 a wind turbine with a vertical axis, or a larger portion in the rear area of wind turbines with an inclined axis and a circular movement of the blades that describes a cone jacket.



   Further embodiments of the invention result from the subclaims
To explain what has been said so far, a treatise on the basic

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 slopes listed:
If the wind has speed v1 far in front of the wind turbine and m is the mass of the wind in kg flowing through the wind turbine, the corresponding power is L1 = (m / 2) .v12. However, only a part of its total energy can be extracted from the wind because the wind must continue to flow, i. H. the wind speed v1 is braked to the wind speed v2 in the wind turbine. The power to be obtained is: = (m / 2). (v12-v22).



   If v 'is the velocity of the wind through the area F covered by the wings, then m = p.F.v', where p is the air density (p = 1.205 kg / m3). So L = (p / 2) F.V.



    . (v12 - v2 2).



   The thrust force S acting on the wind turbine surface F due to the reduction from v1 to v2 must be equal to the secondary change in the momentum: S = m. (V1 - v2). On the other hand, the power L = S.v '= m. (V1 - v2) .v' = (m / 2). (V12 - v22) From this it follows for the passage speed v '= (v1 + v2) / 2.



   If we now introduce the "pass function" k, so that v '= k.v1, that is, for k = 1 the air is not slowed down at all, for k = 0 it is completely decelerated, i.e. 0 <k <1, follows: v '= k.v1 = (v1 + v2) / 2 or v2 = v1. (2k -1) Inserted into the equation of L follows:
 EMI3.1
 thus: dUdk = 0. This results in 2k - 3k2 = 0 or k = 2/3.
 EMI3.2
 can extract at least 59.26% energy from the wind. This factor is also called the power factor, so that I = 0.5926 (Betz number). In other words: the wind has to be slowed down to 1/3 of its original speed in order to extract the highest possible energy.



   After the wind has released some of its energy and continues to flow at speed v2 after leaving the wind turbine, one could also try to take energy from the wind again by means of another wind turbine. So that the total output would be Lges = Lvorn + Lhinten. If one now inserts into the above equations and sets for v2 = v1. (2k -1), one again obtains the value for k = 0.75 by differentiating and zeroing, i.e. (dLges / dk) = 0. The power factor is then 1 = 0.63. The increase would be only 6.31% compared to a wind turbine, which would make two wind turbines in a row uneconomical. However, as will be shown later, this is not the case if twice with a wind turbine with a vertical axis, energy can be extracted from the wind, namely on the front and rear side.



   As is known, the actual power factor for a propeller wind turbine is now not 0.5926, but for the reasons already mentioned (non-usability of the circular area in the area of the hub center, wing tip correction, etc.), for the best propeller wind turbines only the value I = 0, 5926. 0.74 = 0.44 reached.



   When calculating the power factor of wind motors with a vertical or inclined axis and utilizing lift, it can initially be assumed that the blades are tilted about a vertical or inclined axis so that the blades with their profile chord are exactly in the wind direction in the area of the wind direction tangent to the rotor circle, can therefore make no contribution to torque or power at these two points. In contrast to the past, the pass function k is now variable and depends on the respective angle of rotation 5, so that k = k (#) As already known from the above, the value k should come as close as possible to the value 2/3.

   The simplest construction with the help of an eccentric in the middle of the wind turbine and with a linkage to tilt the wing corresponds to a variable passage function of k = 1 - x.sin ± From the above explanations it is known that L = (p / 2) .F.v13 / 4. (k2-k3). Since the pass function k is no longer here
 EMI3.3
 The range of the wind motor, i.e. the integral from 0 to Ò, is obtained for the tilting movement, the k = 1 - x.sin # corresponds to the value 0.4 for x, at which L becomes a maximum. When used, the value Lmax is Lmax = (p / 2) .F v13.0,556. The power factor is therefore I = 0.556. It can be seen that the power factor I for wind turbines with a vertical axis and buoyancy utilization is around approx. Is 25% higher.



   A wing tip correction comes with the wind motors with a vertical or suitable axis

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 out of the question, since - as is known per se - discs are attached to the wing ends in order to reduce the induced wing resistance. If you now calculate the energy that is extracted from the wind on the rear side of the wind motor - as also calculated in the previous one when two propeller wind turbines are connected in series - there is only a slight increase in output.



   According to the invention, however, it is proposed that the greatest possible energy is not immediately withdrawn from the front wind turbine side, but only part of the possible energy, so that the largest possible proportion of energy to be extracted is also eliminated in the rear region of the wind turbine. This is achieved on the one hand by keeping the wing depth relatively small (i.e. narrower than a wind turbine according to Diss. JUST) and on the other hand not selecting the pass function k for the front and rear sides identically, which is easy to implement due to the electronic computer control, d. H. Lmax = Lvorn + Lhinten. A simulation program can now be used to determine how the highest coefficient of performance 1 can be achieved by varying the passage functions k and the leaf depth t.



   As the wings are flown from the left and right sides during their rotation, it makes sense to choose a symmetrical wing profile (e.g. NACA 0012), although due to the circular movement such a wing behaves like a wing with a curved profile. However, the wings can also have a curved chord, since they therefore have less resistance in the region of the tangent of the wind to the rotation circle. For a cyclical tilting movement of the wings, starting from the wind direction, a value a = ao that can easily be achieved in practice can be achieved. sin @ (ao ... max. angle of attack).



   If the blades are calculated according to Gauert's theory of non-stationary, plane potential flow, the value of the blade width is t = (1.56.D) / [(z) .cao.c. (C2 + k2)], where D ... wind turbine diameter, z .... number of blades, cao ...... buoyancy
 EMI4.1
 proposed to set the total number of blades z instead of z / 2 in the formula, so the blade depth is reduced by 50% and it is achieved that more energy is also extracted from the winch in the rear semi-cylindrical area covered by the blades. An additional effect is the increase in speed. The value c = u / v (high-speed number) is not as high as with the propeller wind turbines (c = 5 to 15), but will reach the value c = 2 in the order of magnitude.



  However, this is desirable in order to reduce the noise and the load on the wings.



   The subject of the invention will now be explained in more detail with reference to drawings:
1 shows an example of a wind turbine in side view;
Figure 2 shows the wind turbine in plan view.
Fig. 3 in a bird's eye view;
Fig. 4 shows the storage of the wings;
Figures 5, 6 and 7 show shapes of the support arms;
8 and 9 show the scheme for the function and for the calculation, respectively;
10, 11 and 11A show another embodiment;
12, 13 and 14 show a wind motor with a conical rotor surface; 15 shows a further embodiment with a suitable axis;
16 and 17 a large wind turbine; 18 and 19 show designs of wing ends;
20 and FIG. 21 further versions of the wing or

   Support arms:
22 shows a prior art embodiment;
23, 24 and 25 further variants of wing shapes;
26 and 27 show a wind turbine with a large ratio of height to diameter;
Fig. 28 and Fig. 29 wing positions;
Fig. 30 hydraulic control scheme; Fig. 31 Output situation:
Fig. 32 Drive of the generators:
33 to 36 different generator circuits.



   FIGS. 1, 2 and 3 show a wind turbine of the type according to the invention, the features of the invention not yet being apparent from these drawings, but the basic structure has already been given. On a tubular mast-1, usually a steel tube, there is a horizontal pivot bearing -2- at the top, to which a rotor hub-3- is rotatably attached.

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 By means of the support arms -4.4a; 5.5a; 6.6a-bearings are arranged around the circumference, vertically standing aerodynamically shaped wings -7,8,9-. The support arms -4,4a; 5,5a; 6,6a- are reinforced by means of diagonally arranged struts-5b-, both all the support arms -4,4a; 5,5a; 6,6a- and the struts being aerodynamically shaped profiles represent to keep the air resistance as low as possible.

   In the example according to FIGS. 1, 2 and 3, specific masses are also entered in order to be able to better represent the relations. It is a 600 KW system. The flow of wind area is calculated as F = D. h. On the underside of the tower-1- there is a door -1a- and on the side there is an ascent aid -1b-which, however, will preferably be provided on the inside. The generator is located at the foot of tower 1-. Since it is a high tower-1 (in the example approx. 50 m), it is advisable to provide a viewing terrace -1c on top of tower-1-. In the example of FIG. 2, a symmetrical wing profile is given, for. B. NACA 0012, which has already found application in the invented wind turbines.



   Fig. 4 shows the storage of the wing -7,8,9-. A support arm-4-, which is arranged pivotably about the axis-16-, has at its front end a bearing point -14- in which a bearing plate -10- is pivotally mounted, which carries the wing -8-. A hydraulic cylinder-11- engages in the bearing plate at bearing point -13- and is also mounted on support arm-4- at point-12. The hydraulic cylinder -11- is supplied with pressure oil by means of the hydraulic lines -19,20-. The tilting movement of the wings -7,8,9- can also be realized using hydraulic swivel motors. The support arm-4- is connected to the rotor hub-3- by means of the tabs -15, 15a.



  This version is the same for all three wings -7,8,9-. The lower support arms -4a, 5a, 6a- normally do not need their own pivot cylinder -11-, but a pivot bearing which coincides axially with the bearing-14-. The horizontal bearing axles -17,18- are the other bearing points for the other two bearing arms-5,6-. The lower bearing arms -4a, 5a, 6a- are also pivotable. This pivoting option makes the components much easier to assemble. Figures 5, 6 and 7 show a section A-B through the bearing arm -4 and show different aerodynamic designs of the support arm profiles -4 ', 4 ", 4"' -. Conveniently, the bearing point -14- is located at the pressure point of the profile of the wing -7,8,9- in order to keep the required pivoting moment as low as possible.



   Fig. 8 shows the scheme of control during the rotation of the vertical wing -7-. The wind flows with v1 on the front side of the wing -7-, the wing being inclined relative to the x-axis so that the resulting speed vR from peripheral speed u and v1 is at an angle of attack a to the wing profile, so that a Buoyancy A arises with a tangent At to the rotation circle -21-. Likewise, on the rear side, where the wind only has the braked speed v2, there is a lift A 'to increase the torque. The wings -7,8,9- are now controlled so that they are in any position - except when the wings -7,8,9- exactly in the wind direction - a positive drive torque A. r, or At. Generate R.

   In Fig. 8 the pivot angle p is also shown, the angle between the chord and the respective tangent to the rotation circle. Since the blades -7,8,9- can be controlled independently of each other, a different average passage function on the front and rear - in relation to the wind direction - of the wind turbine can be realized. So if the wind z. B. at the front (i.e. from 0 to Ò) and from behind (from 1 {to 2.Ò) the same amount of power is to be drawn, the braking in the front area from v1 to v2 must be as follows:
As the secondary total energy of the wind in front of the wind turbine is Lo = (p / 2) .F.v13 and the wind is only max. can be braked to 1/3 of its original speed in order to deprive it of the greatest possible performance, the passage functions kv (front) and kh (rear) can be calculated.

   Since only 1/3 of the total energy
 EMI5.1
 = 1/12; d. H. the passage function at the front is approximately kv = 1/3. In the front area, the wind only loses about 1/3 of its speed (v2 = (1/3) .v1), in the rear area the other third. The pass function k = 1 - x.sin # and thus the value x is dependent on the respective angle of attack a of the wing -7-. Are z. B. the wings -7,8,9- are controlled in the front area from 0 to Ò so that they always stand in relation to the resulting wind direction vR in such a way that there is no lift, k = 1, the wind is not braked; H. x = 0 The value x is a measure for the maximum adjustment angle and thus for the angle of attack a. With increasing angle of attack a

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 more energy will be taken from the wind.

   The value x is also a measure of the eccentricity e according to FIG. 22, i.e. H. in the simple case e = c1 + c2.x, (c1, c2 .... constant). The value x for the front kv and rear pass function kh can now be entered into a microprocessor control, or is automatically generated in the computer on the basis of the required drive data.



   9 has already been mentioned in the mathematical derivation
10 shows an example of an embodiment of a wind motor according to the invention, the radially arranged support arms 4, 4 a, 6 6 a forming an articulated square 24, 24 a, 25 25 a with the aid of an airfoil piece 23 23 an. With the help of a cable -22,22a- and a not shown
Cable winch or a hydraulic cylinder -22b-, the four-bar linkage -24,24a, 25,25a- can be raised or lowered in the vertical direction with the wings -7,8- adjustable about the axes -14,14'-. When lowering, this results in a smaller diameter D '. B. be attached during a storm and take place by means of automatic control. The support arms 4, 4 a, 6, 6 a consist, at least in the outer region, of wing profiles, as shown in FIG. 11, which shows the section C-D.

   Appropriate training thus creates a buoyancy A ", since the support arms 4,4a; 6,6a are blown at the speed u". The buoyancy A "now reduces the bearing load on the pivot bearing -2-, which can save frictional energy
FIG. 11A shows a section X-X, which shows that the connecting piece 23, 23a is also designed as an airfoil profile, as a result of which a “double-decker system” is created in this area, with the effect of a higher lift. A wind measuring device 99 is provided at the tip of the rotor hub 3, which continuously measures both the wind speed and the wind direction and passes it on to a microprocessor control. The position of the support arms-4,5,6- in relation to the respective wind direction and the instantaneous angular position of the wings -7,8,9- is also continuously measured.

   The microprocessor control thus continuously regulates the blade position during its rotation with reference to the desired performance parameters, such as speed, torque, etc. In FIG. 10, the anchorage -1b- of the wind turbine can also be seen, whereby - as is known per se - in A concrete ring with steel struts to the mounting base is provided on the bottom, onto which the cylindrical or conical tubular tower -1- is screwed.



   12, 13 and 14 (section through the wing -28-) show a variant according to the invention in which the rotomabe -35- is at an angle &. stands at an angle. The wings -27, 28, 29, 30- move on a conical surface with a tip angle of around 90. The vanes -27, 28, 29, 30- are also rotatable about a bearing-33-, in order to achieve the optimal angle of attack. As can be seen in FIG. 13, the inflow surface is an ellipse -31-. Both a pivot bearing -34- and a pivot bearing -36- are provided in the upper area.



  A strut-32- prevents the wings -27,28,29,30- from migrating outwards. This means that energy is extracted from the wind mainly on the rear side, since the wings -27, 28, 29, 30- pass through a horizontal position in the upper area. The generator 38 can also be arranged in the region of the tower base, the power being transmitted by means of a shaft 37 and two universal joints 37 a, 37 b. Due to the inflow of wind on the concave side of the wind turbine, there is an additional congestion effect, with which an increase in the power factor is to be expected. FIG. 15 shows a similar wind turbine, the tower 26a being provided to extend obliquely downwards and the rotation in the wind direction only takes place on a bearing 36a which is mounted on a base.

   The wind turbines according to FIGS. 12 and 15 automatically face the wind, but can additionally be equipped with an electrical wind direction adjustment device.



   Fig. 16 shows a large wind turbine with e.g. D = 120 m diameter. The widely protruding support arms-4,4a, 5,5a- are recognizable as wing profiles as shown in Fig. 17 (section E-F), as are the vertical struts-4b-. Steel cables -40.41- hold the support arms -4.4a, 5.5a- upwards. Otherwise, the wings -7,8,9- can be controlled by the cylinders -11- as described above. This example shows that it is very easy to implement wind turbines with very high output with the aid of the design according to the invention; in the example shown with approx. 2000 KW nominal power. In FIG. 16, the wings 7, 8, are already provided with end disks 42 on both sides to reduce the induced resistance at the wing ends. An end plate 42- is shown in FIG.

   Another possibility to reduce the induced drag at the wing ends is to provide several narrower wings -43,43a, 43b- one after the other. This principle was developed by the bird wings

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 copied.



   20 shows an embodiment for the wing construction of the circumferential wings -8a-, in which the rear wing part is designed as a flap -8b- for changing the number of lift. It is therefore not necessary to pivot the entire wing -7,8,9- about the pivot axis -14-, but only a smaller wing portion -8b- with the axis of rotation-44-. The adjustment in the positions-8b'- and-8b "- can also be carried out electro-hydraulically or electromechanically, etc. The integration of the wing -8a- in the support arm-4- can be rigid here in a simple manner by means of the connecting plate -10 ' - be performed.

   FIG. 21 shows that the support arms -4,4a- can also be supplied with a variable lift by means of high-lift aids -4c, 4c'-, so that during the rotation of the support arms-4,4a- this depends on the respective wind blowing speed ( vw) on the front and back can be controlled by means of the computer program so that all support arms-4,5,6- are always given the same amount of lift, for even relief of the pivot bearing -2-.



   22 shows the previously described embodiment of a known wind motor built by the inventor. The tabs-53,54- are screwed to the wings -47,48- of this two-wing model. In order to construct a wind turbine according to the invention, it is necessary to control the rigid control rods -51,52- z. B. to be replaced by hydraulic cylinders and to implement an automatic adjustment of the eccentricity (e) also by means of an electro-hydraulic or electromechanical adjustment element. In the embodiment according to FIG. 22, the adjustment according to the wind direction is carried out purely mechanically by the wind vane 57, a system that can be assessed positively for smaller outputs (up to 200 KW).

   For the computer control for large systems, a calculation model based on the movement scheme according to FIG. 22 could be created as a basis. According to FIG. 22, the control rods 51, 52 are of the same length, depending on the required eccentricity (e), a different yaw angle results s, which describes the direction of the center M to the bearing point-56- the eccentric cam -55- The smaller the wind speed, the greater the eccentricity (e) must be in order to move the wing -47,48- into the optimal lift position bring to. The wings -47,48- describe a rotating circle-21-, while the control rods-51,52- describe eccentric circles. In the example, the wings -47, 48- are designed as symmetrical wings, but curved profiles can also be provided.



   23, 24 and 25 describe different wing shapes. According to Fig. 23, the wings -60,61- are curved with the radius (RF). The wings -60,61- can also be held with ropes -66-. The wing is pivoted about the perpendicular axes 14'-. FIG. 24 shows an embodiment with bent wings -62,63-, the support arms being designed as trusses, similar to crane booms, as also shown in FIG. 24A. However, the tubes should consist of aerodynamically or oval shaped profiles. 25 wing-64,65- are shown with a concave shape towards the outside; with the curved profiles -60.61.62.63.64.65- the stresses caused by the centrifugal forces are better taken into account.

   26 shows a three-bladed wind turbine of the type according to the invention, which is formed by several floors. The ratio of height h to diameter D, that is to say h / D, is particularly high, so the speed of the turbine also increases. The wings -7,8,9- are located between several supporting stars -67- and can each be pivoted about the axes -14,14a, 14b-. The wind turbine and the mast-1 are tapered towards the top. 28 and 29 show different wing positions. The storm position is shown in FIG. 28; from a certain height of the wind speed, all blades -7,8,9- are continuously regulated in the wind direction. The wind wheel is there. Fig. 29 shows a diagram for the start of the wind turbine, the positions of the wing -7- during the starting phase.

   Here the wind turbine works as a resistance rotor; when a certain speed is reached, the wings are automatically switched to lift control.



   30 shows an example of an electro-hydraulic control circuit using a servo valve or proportional valve -71-. The servo adjustment cylinder -11- for the wing adjustment of the wing -7,8,9- has an integrated position measuring system -69- with evaluation electronics -70-. The control valve -71- controls the stroke of the servo cylinder -11-, whereby the solenoid of the control valve -71- is excited via a valve amplifier -72-. A position controller -73- now compares the position of the piston of the servo cylinder -11- with the instantaneous value specified in the higher-order controller-74-.

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   31 and 32 show a drive diagram for the generator drive. 31 shows the rotary bearing -2-, which has internal teeth, the inner ring of the rotary bearing -2- being firmly connected to the rotor hub -3-. The pivot bearing -2- absorbs all transverse forces and vertical dynamic and static forces of the rotating components. A pinion -75- engages in the toothing of the inner ring of the pivot bearing -2-, which is connected to a downward-running shaft -77-, preferably a hollow shaft. The shaft -77- is guided through bearings-76- via a clutch-77a- to the gearbox-78,78a- and drives via a transmission with helical spur gears. B. two or more generators 81.82.

   When using several generators 81, 82, these can be switched on or off digitally, depending on the wind, whereby this can be carried out by means of electromagnetic clutches, 79, 80 or controllable hydrodynamic clutches (converter transmissions), as is known per se. The power is fed into the network 85- via transformers-83.84-.



   33 to 36 show, for example, designs for the switching of asynchronous or synchronous generators for feeding into the network. FIG. 33 shows an asynchronous generator 87 with a direct feed into the network. The wind turbine-98- drives the transmission-78- via a drive train-77-, which is connected to the generator-87- via the coupling -80-. This structure is useful for smaller services; Larger asynchronous motors without special devices, however, the resulting line surge is undesirable. Since the reactive power requirement of an asynchronous generator depends on the power, static compensation can only apply for a certain operating point. The asynchronous generator-87- is operated at a constant speed, e.g. 1500 rpm. The transformer is fed into the high-voltage network.

   34 to 36 show variable-speed generator systems. 34 shows a synchronous generator 87a with a static frequency converter -93.94-. With this concept, a large speed range of the wind turbine is possible, since the DC link causes the generator speed to be completely decoupled from the speed of the wind turbine and thus from the grid frequency. The generator torque can be regulated via a suitable control of the DC link. Fig. 35 shows an asynchronous generator-88- with oversynchronous converter cascade-95.96-. The normally lost slip power of the rotor can be used by means of feedback using a simple intermediate circuit consisting of an uncontrolled rectifier and a grid-controlled inverter.

   A disadvantage is the high reactive power requirement of this concept. 36 describes a double-fed asynchronous generator with a direct converter-97-. This system was used in large wind turbines and can be operated both as a motor and as a generator in the over- or under-synchronous speed range. With the help of a suitable control, the frequency generated by the converter 97 is superimposed on the frequency of the rotor rotating field, so that the superimposed frequency emitted remains constant irrespective of the rotor speed. If several generators are used, there is also the possibility of meaningfully linking the different concepts with one another in order to achieve a higher power yield.

   The microprocessor control continuously processes the incoming signals from the sensors, such as wind speed, wind direction, position of the support arms-4,5,6- to the respective wind direction, tilting diaper of the wings -7,8,9- to the tangent of the rotation circle-21- , Lift of the support arms-4,5,6-, position of the lift flaps -4c, 4c'- of the support arms-4,5,6-, wind turbine speed, generator speed, voltage and frequency; as well as ongoing monitoring and statistics of the work fed into the network in KWh. The operating status can be checked continuously on the screen, with control functions being carried out continuously. Remote monitoring by means of data transmission to a central location guarantees the efficient and safe use of such a wind turbine.



   This describes some examples of the wind turbine according to the invention, further variations being conceivable within the framework of the basic idea. For example, the axis of the rotor hub-3 could also be arranged completely horizontally as a special case; the disadvantage, however, is that the wind turbine would then have to be constantly adjusted to the wind direction. Regarding the drive, it would also be conceivable for the generator (s) to be operated via a controllable hydraulic pump driven by the drive train 77. The hydraulic pump could then be controlled such that the generator is always operated at a constant speed, regardless of the speed of the wind turbine.

   If a wind turbine is only used for hot water preparation, a hydraulic oil can be continuously circulated via an adjustable throttle by means of a closed circuit

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 be pumped and the O1 heated in this way is heated by means of a heat exchanger spiral in a water tank
Since the blades -7,8,9- need not be offset from the blades of the conventional propeller wind turbines and the blades -7,8,9- have the same cross-section over their entire length, they are also cheaper to manufacture. As material e.g. Aluminum sheet or plastic plates (polycarbonate) are selected or the wings -7,8,9- are made of glass fiber reinforced plastic (GRP) or carbon fiber composite materials.



   Finally, it should be mentioned that the feed-in tariff required for the economic use of wind energy in the construction described does not have to be as high as with the propeller wind turbines, since the 25% higher power factor means that the system can be built smaller and with the same output the design principle itself, the manufacturing and maintenance costs are comparatively much lower.



   PATENT CLAIMS:
1 wind turbine with vertical or inclined rotor axis and buoyancy utilization, consisting of a tower at the top of which is rotatably arranged via a horizontally or inclined rotary bearing, a hub with support arms and the power to one or more
Generators, hydraulic or water pumps is transmitted, with at least two
Support arms are provided pivotably arranged rotor blades, which have an aerodynamic wing profile, the longitudinal wing axis being arranged parallel or at an angle to the rotor axis and the blades being cyclically tilted around an axis parallel to the longitudinal direction of the wing during their rotation around the rotor axis,

   that the blades always generate the largest possible component of the lift force in the direction of the tangent of the rotation circle in any position along their rotation, the adjustment of the rotor blades using a microprocessor control depending on the wind turbine speed, wind speed and wind direction by means of adjusting devices , characterized in that the adjustment of the wings (7,8,9;
27,28,29,30; 47.48; 60.61; 62.63; 64, 65), which describe a cylinder jacket, cone jacket or another surface of revolution around the axis (14, 14 '; 14 ", 14") parallel to the longitudinal direction of the wing - as is known per se - hydraulically, pneumatically, electromechanically or mechanically during the rotation of the wings (7,8,9; 27,28,29,30; 60,61;
62.63;

   64,65), optionally separately and independently of one another, automatically and cyclically, this swiveling process to achieve the respective swiveling angle (#) depending on the passage functions (kv, kh), and - as is known per se - that for the user - drive of the generator (s) (81,82,87,87a, 88,89) or pump necessary speed or



   Torque and power takes place, e.g. B. using electrohydraulic or electropneumatic proportional or servo valves (71), or electric switches, the on the wings (7,8,9; 27,28,29,30; 47,48; 60,61; 62,63 ; 64,65) attacking adjustment devices, such as double-acting hydraulic or pneumatic cylinders (11), hydraulic or electrical swivel motors, electrical linear motors or lever devices have an integrated or external path or angle mount (69) and a computer continuously taking into account the parameters mentioned (kv, kh, v1, wind direction,
Speed) controls and / or controls the swivel angle (#) of each wing (7,8,9; 27,28,29,30; 47,48; 60,61; 62,63; 64,65) required in the current position regulates.


    

Claims (1)

2. Windturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelbreite t nach EMI9.1 gelanzahl, cao.... Auftriebsbeiwert, c = u/v.. Schnelllaufzahl und k'..... Mittelwert der Durchlassfunktion k, ausgelegt ist.  2. Wind turbine according to claim 1 and 2, characterized in that the wing width t after  EMI9.1  number of gels, cao .... lift coefficient, c = u / v .. high-speed index and k '..... mean value of the Pass function k, is designed. 3 Windturbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtun- gen (11,51,52) für die Flügelverstellung um den jeweiligen Winkel (#) an einem Lager- blech (10), welches in Form einer Endscheibe für die Flügel (7,8,9) ausgebildet ist, angrei- fen. 3 Wind turbine according to claim 1 and 2, characterized in that the adjusting devices (11, 51, 52) for the blade adjustment by the respective angle (#) on a bearing plate (10) which is in the form of an end plate for the blades (7,8,9) is trained to attack. 4 Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragarme (4,4a; 5,5a; <Desc/Clms Page number 10> 6,6a) ein Gelenkviereck (24,24a,25,25a) bilden, welches mittels eines Seilzuges (22,22a) oder eines Hydraulikzylinders (22b) in einer senkrechten Ebene ist. 4 wind turbine according to claim 1, characterized in that the support arms (4,4a; 5,5a;  <Desc / Clms Page number 10>   6,6a) form a four-bar linkage (24,24a, 25,25a) which is in a vertical plane by means of a cable (22,22a) or a hydraulic cylinder (22b). 5. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragarme (4,4a; 5,5a; 6,6a) und Versteifungsstreben (4b) - wie an sich bekannt - ein aerodynamisches Profil aufweisen, wobei die Flügelenden als verstellbare Klappen (4c, 4c') ausgebildet sind. 5. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the support arms (4,4a; 5,5a; 6,6a) and stiffening struts (4b) - as known per se - have an aerodynamic profile, the wing ends being designed as adjustable flaps (4c, 4c '). 6. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der Rotornabe (35) schräg gestellt ist und die Flügel (27,28,29,30) einen Kegelmantel mit einem Spitzen- winkel (r) von ca. 90 beschreiben und der Wind von der konkaven Seite des Kegelman- tels die Windturbine anströmt, wobei die Flügel (27,28,29,30) im oberen Bereich eine waagrechte Position durchlaufen. 6. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the axis of the rotor hub (35) is inclined and the blades (27, 28, 29, 30) describe a conical jacket with a tip angle (r) of approximately 90 and the Wind flows from the concave side of the cone jacket onto the wind turbine, the blades (27, 28, 29, 30) passing through a horizontal position in the upper area. 7. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Flügeln (7,8,9) ein zweiter Flügel (23,23a) (Doppeldeckerprinzip) vorgesehen ist, der starr oder ebenfalls schwenkbar ausgebildet ist. 7. Wind turbine according to claim 1, characterized in that parallel to the blades (7,8,9) a second blade (23,23a) (double-decker principle) is provided, which is rigid or also pivotable. 8. Windturbine nach Anspruch 1 bis 7, dass die Flügelenden - wie an sich bekannt - mit den induzierten Widerstand verringernden Vorrichtungen versehen sind, wie z. B. Enscheiben (42) oder mehrere, fächerartig angeordnete kurze Flügel (43,43a,43b). 8. Wind turbine according to claim 1 to 7, that the wing ends - as known per se - are provided with the induced resistance reducing devices, such as. B. En disks (42) or several short wings (43, 43a, 43b) arranged in a fan-like manner. 9. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur der hintere Teil eines Flügels (8a) als um die Achse (44) schwenkbare Klappe (8b) ausgebildet ist und der vor- dere Flügelteil (8a) starr mit dem Tragarm (4) verbunden ist. 9. Wind turbine according to claim 1, characterized in that only the rear part of a Wing (8a) is designed as a flap (8b) pivotable about the axis (44) and the front wing part (8a) is rigidly connected to the support arm (4). 10. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (60,61; 62,63; 64,65) in Längsrichtung gekrümmt ausgebildet sind. 10. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the blades (60.61; 62.63; 64,65) are curved in the longitudinal direction. 11. Windturbine nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Flügelprofile -wie an sich bekannt - symmetrische oder asymmetrische Profile vorgesehen sind. 11. Wind turbine according to claim 1 to 11, characterized in that symmetrical or asymmetrical profiles are provided as wing profiles - as known per se. 12. Windturbine nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere, vorzugsweise am Turmfuss angeordnete Generatoren (81,80; 87,88,89), mittels Elektro- magnet- oder Strömungskupplungen (79,80) digital - je nach Leistungsbedarf- zu- oder wegschaltbar sind. 12. Wind turbine according to claim 1 to 12, characterized in that two or more generators (81.80; 87.88.89), preferably arranged on the tower base, digitally by means of electromagnetic or flow couplings (79.80) - depending on Power requirements can be switched on or off. 13. Windturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehlager (2), an wel- chem die Rotornabe (3) befestigt ist an seinem Innenring eine Verzahnung aufweist, in welche ein Ritzel (75) mit einer nach unten führenden Hohlwelle (77) eingreift. 13. Wind turbine according to claim 1, characterized in that the rotary bearing (2), to which the rotor hub (3) is fastened, has teeth on its inner ring, into which a pinion (75) with a hollow shaft (77) leading downwards ) intervenes. HIEZU 15 BLATT ZEICHNUNGEN  THEREFORE 15 SHEET OF DRAWINGS